基于災(zāi)害風(fēng)險因子的青海省干旱災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

李萬志，張調(diào)風(fēng)，馬有絢，馮曉莉，余 迪，陳冀青

(1.青海省氣候中心，青海 西寧 810001；2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001 )

引 言

氣象干旱主要是降水異常偏少導(dǎo)致的水分短缺現(xiàn)象，而干旱災(zāi)害則是干旱自然現(xiàn)象和人類活動共同作用的結(jié)果，是自然環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)在特定的時空條件下耦合的特定產(chǎn)物[1-2]，且隨著全球氣候變暖，干旱災(zāi)害已逐漸成為對人民生產(chǎn)和生活影響較大的主要自然災(zāi)害之一[3-5]。IPCC系列評估報告指出，未來干旱風(fēng)險有不斷增加趨勢[6-7]，開展干旱災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃以及評估方面的研究，進(jìn)行干旱災(zāi)害風(fēng)險管理，是減少或避免干旱災(zāi)害損失的有效途徑[8-10]，對農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及氣象防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要意義。

氣象災(zāi)害風(fēng)險評估和區(qū)劃是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，很多研究基于信息擴(kuò)散理論、信息熵的理論與方法、模糊聚類循環(huán)迭代模型等方法對不同區(qū)域的干旱災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行了評估和區(qū)劃[11-14]；但由于數(shù)據(jù)短缺等因素，部分方法在青海高原地區(qū)并不適用。2014年，IPCC第五次評估報告(AR5)中給出了最新的風(fēng)險評估公式[15]，指出風(fēng)險評估基礎(chǔ)和先決條件是致災(zāi)因子的危險性、承災(zāi)體的脆弱性和暴露度。通常干旱災(zāi)害的形成原因復(fù)雜，既包括自然因素，又涵蓋社會經(jīng)濟(jì)因素，盛巧玲等[16]從致災(zāi)因子危險性和承災(zāi)體的易損性兩方面開展了重慶市干旱災(zāi)害風(fēng)險評估，石界等[17]從孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體三方面對定西市干旱災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行了評估，但兩者都沒有考慮防災(zāi)減災(zāi)能力，當(dāng)?shù)胤烙降母叩蛯?zāi)害的發(fā)生也有較大影響。王鶯等[18]在分析致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境脆弱性、承災(zāi)體暴露性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了防災(zāi)減災(zāi)能力的影響，對中國南方干旱災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險評估，他們的研究綜合考慮了影響災(zāi)害發(fā)生的各要素，更接近干旱災(zāi)害風(fēng)險的本質(zhì)特征，對降低區(qū)域干旱災(zāi)害風(fēng)險具有指導(dǎo)意義，同時對數(shù)據(jù)短缺地區(qū)風(fēng)險評估工作的開展具有很好的參照性[19-21]。

青海省地處青藏高原東北部，屬干旱、半干旱高原氣候，日照時數(shù)長、降水量少、蒸發(fā)量大，干旱是青海最為嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一[22]，出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時間長、影響范圍廣[23]，且隨著青海人口增多和經(jīng)濟(jì)增長，干旱災(zāi)害帶來的風(fēng)險也越來越高。以往有關(guān)青海干旱災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律、強(qiáng)度、原因等方面的研究較多[24-25]，但對青海省干旱災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃和評估方面研究較少，本文主要通過自然災(zāi)害風(fēng)險理論，基于GIS等工具，對青海省干旱災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行區(qū)劃和評估，以期為該省干旱災(zāi)害防御以及產(chǎn)業(yè)合理布局提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省(89°35′E—103°04′E、31°40′N—39°19′N)位于中國西部，青藏高原東北部，東西長約1200 km，南北寬約800 km，總面積72.23×104km2，全省平均海拔3000 m以上，地勢特征總體呈西高、東低，南北高、中部低的態(tài)勢(圖1)。氣候以高寒干旱為總特征，屬于典型高原大陸性氣候，各地年平均氣溫在-5.1～9.0 ℃之間，具有年平均氣溫低、日溫差大、年溫差小等特點(diǎn)，年降水量在15.4～732.5 mm之間，總分布趨勢由東南向西北逐漸減少，即東部雨水較多、西部干燥多風(fēng)。

圖1 青海省地形及氣象站點(diǎn)圖Fig.1 The topography and meteorological stations in Qinghai Province

1.2 資 料

(1)氣象數(shù)據(jù)：青海省50個基本站1961—2018年逐日降水量、氣溫、相對濕度，數(shù)據(jù)源自青海省氣象信息中心。

(2)地理信息數(shù)據(jù)：國家信息中心下發(fā)的1:250 000 GIS地圖中提取的地形高程、河網(wǎng)數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)；植被蓋度由MODIS產(chǎn)品中的NDVI數(shù)據(jù)計算獲得。

(3)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)：2018年各州(市)、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的國土面積、農(nóng)牧業(yè)狀況、GDP狀況及人口數(shù)量等，數(shù)據(jù)來源于中國縣域統(tǒng)計年鑒2018(鄉(xiāng)鎮(zhèn)卷)[26]。

(4)氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)：改進(jìn)的氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)已經(jīng)在國家和省級干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)中進(jìn)行了檢驗(yàn)[27-29]，該指數(shù)基于水分平衡原理，考慮的影響因素相對全面，可以較好地反映干旱事件過程的綜合影響。因此選用1961—2018年MCI指數(shù)作為監(jiān)測指標(biāo)，并結(jié)合青海省地方標(biāo)準(zhǔn)《氣象災(zāi)害等級劃分(DB63)》[30]統(tǒng)計青海省不同等級干旱災(zāi)害發(fā)生日數(shù)，干旱等級劃分見表1，MCI指數(shù)計算方法詳見文獻(xiàn)[31]。

表1 氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)等級劃分Tab.1 Grades classification of drought based on meteorological drought composite index (MCI)

文中附圖涉及地圖均基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2017)3320的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改，坐標(biāo)系為2000國家大地坐標(biāo)系。

1.3 方 法

1.3.1 干旱災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)的建立

首先對各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理以消除各指標(biāo)之間的量綱差異[32]。干旱災(zāi)害的危險性、暴露性和脆弱性所包含的各指標(biāo)歸一化計算公式為：

(1)

式中：Dij為j站點(diǎn)第i個指標(biāo)的歸一化值；Aij為j站點(diǎn)第i個指標(biāo)值；Aimin和Aimax分別為第i個指標(biāo)值中的最小值和最大值。由于對災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)能力越強(qiáng)，相應(yīng)的災(zāi)害風(fēng)險也越小，因此防災(zāi)減災(zāi)能力的各指標(biāo)歸一化與其他要素不同，計算公式為：

(2)

各評價因子指數(shù)的計算采用加權(quán)綜合評價法，該方法綜合考慮每個指標(biāo)對總體對象(因子)的影響程度，計算公式如下：

(3)

式中：Vt為評價因子加權(quán)求和后的值；Wi為指標(biāo)i的權(quán)重；Dit為對于因子t的指標(biāo)i的歸一化值；n為評價指標(biāo)個數(shù)。

各因子權(quán)重主要采用層次分析法(AHP)計算，它是用一種標(biāo)度對人的主觀判斷進(jìn)行客觀定量化，具體計算方法參見文獻(xiàn)[33]、[34]。

最后根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險評估原理及評價指標(biāo)體系，利用加權(quán)綜合評價法，建立干旱災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)模型，計算公式如下：

MDRI=aVD×bVh×cVs×dVr

(4)

式中：MDRI為干旱災(zāi)害風(fēng)險評估的綜合指數(shù)，用來表示干旱災(zāi)害風(fēng)險的程度，MDRI值越大，表明該區(qū)域干旱災(zāi)害風(fēng)險的程度越大；VD、Vh、Vs、Vr分別是根據(jù)公式(3)加權(quán)綜合評價法計算得到的干旱災(zāi)害危險性指數(shù)、脆弱性指數(shù)、暴露性指數(shù)和防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)，a、b、c、d是各評價因子的權(quán)重。

1.3.2 干旱災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)的選取

結(jié)合干旱災(zāi)害對青海省的實(shí)際影響狀況，選擇基于氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)計算的不同等級干旱災(zāi)害日數(shù)作為致災(zāi)因子指標(biāo)，選取人口密度、地均耕地面積、地均大牲畜存欄數(shù)、地均可利用草場面積作為承災(zāi)體的評估指標(biāo)，選取地形起伏度、植被覆蓋度以及河網(wǎng)密度作為孕災(zāi)環(huán)境的評估指標(biāo)，選取人均GDP作為防災(zāi)減災(zāi)能力的評估指標(biāo)，具體指標(biāo)及權(quán)重見表2、表3。并通過自然斷點(diǎn)法將計算的致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性以及防災(zāi)減災(zāi)能力分別劃分為5級：低、較低、中等、較高、高，最終對青海的干旱災(zāi)害按照高風(fēng)險區(qū)、較高風(fēng)險區(qū)、中等風(fēng)險區(qū)、較低風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)進(jìn)行區(qū)劃。

表2 青海省干旱災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系Tab.2 The index system of drought disaster risk assessment in Qinghai Province

表3 青海省干旱災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)因子權(quán)重Tab.3 The weights of drought disaster risk assessment indexes in Qinghai Province

2 結(jié)果分析

2.1 致災(zāi)因子

通常，干旱災(zāi)害致災(zāi)因子的危險性越高，其造成旱災(zāi)的風(fēng)險性也隨之越高，而不同等級干旱日數(shù)在一定程度上可以體現(xiàn)干旱災(zāi)害的強(qiáng)度及其影響時間。統(tǒng)計青海省1961—2018年不同等級歷年氣象干旱日數(shù)，分別取其平均值作為干旱災(zāi)害的致災(zāi)因子，并在ArcGIS軟件中用反距離權(quán)重法進(jìn)行空間插值，獲得其空間分布，再將矢量圖層轉(zhuǎn)化為柵格圖層，基于公式(3)計算干旱災(zāi)害致災(zāi)因子的危險性指數(shù)。由圖2可以看出，致災(zāi)因子危險性最高的地區(qū)主要在青海省東部地區(qū)，包括互助、平安、樂都、民和、循化、貴德、同仁等地；較高風(fēng)險區(qū)主要分布在青海省東部和南部地區(qū)，主要包括祁連、門源、剛察、海晏、湟源、湟中、大通、尖扎、興海、河南、澤庫、稱多等地；中等風(fēng)險區(qū)主要在青海中部地區(qū)和東南部地區(qū)，包括托勒、天峻、玉樹、囊謙、班瑪、雜多等地；較低風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)主要分布在青海的西部地區(qū)，其中較低風(fēng)險區(qū)包括茫崖、五道梁、小灶火、烏蘭等地，低風(fēng)險區(qū)包括格爾木、冷湖、諾木洪、大柴旦、德令哈等地。

圖2 青海省干旱災(zāi)害致災(zāi)因子危險性區(qū)劃Fig.2 Regionalization on dangerousness of drought disaster causing factors in Qinghai Province

2.2 孕災(zāi)環(huán)境

在同等災(zāi)害致災(zāi)影響程度下，孕災(zāi)環(huán)境的脆弱性越高，則干旱災(zāi)害產(chǎn)生的風(fēng)險性越大。水系對干旱影響最明顯，有水的地方或距離水體近的地方不容易發(fā)生干旱，而地形起伏較大的地方不容易儲水，同時植被覆蓋度越低的地區(qū)也越容易出現(xiàn)干旱。圖3為青海省干旱災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境脆弱性區(qū)劃。可以看出，孕災(zāi)環(huán)境脆弱性風(fēng)險整體自西北向東南逐漸降低，其中孕災(zāi)環(huán)境脆弱性風(fēng)險較高的地區(qū)主要分布在青海省西北部地區(qū)，包括茫崖、冷湖、小灶火、大柴旦、格爾木、諾木洪等地，主要由于該地區(qū)海拔高、地形起伏度比較大、植被覆蓋度較低、河網(wǎng)密度稀疏；孕災(zāi)環(huán)境脆弱性風(fēng)險較低的地區(qū)主要在青海省東南部，包括囊謙、玉樹、雜多、稱多、達(dá)日、班瑪、久治、瑪沁等地，主要由于該地區(qū)位于三江源頭，水系發(fā)達(dá)、河網(wǎng)密集，同時植被覆蓋程度較高，對干旱災(zāi)害可以起到一定的削弱作用。而青海省東部地區(qū)，河網(wǎng)較為密集、植被覆蓋度相對較高、地勢起伏相對較小，屬于孕災(zāi)環(huán)境脆弱性的中等和較低風(fēng)險區(qū)。

圖3 青海省干旱災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境脆弱性區(qū)劃Fig.3 Regionalization on vulnerability of drought disaster breeding environment in Qinghai Province

2.3 承災(zāi)體

承災(zāi)體是受干旱威脅的主體，圖4為青海省干旱災(zāi)害承災(zāi)體暴露性區(qū)劃。可以看出，承災(zāi)體暴露性的高風(fēng)險區(qū)主要在青海省東部地區(qū)，包括西寧、大通、湟源、湟中、互助、樂都、平安、尖扎、循化、民和等地，這些地區(qū)是青海省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)和人口最集中的地區(qū)，同時也是青海省主要的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，受干旱災(zāi)害的影響也較大；而除上述地區(qū)外的大部地區(qū)干旱災(zāi)害承災(zāi)體暴露性的風(fēng)險都較低。主要受青海省特殊的地理特征影響，青海東部地區(qū)人口和經(jīng)濟(jì)比較集中，而其他地區(qū)無法進(jìn)行大面積作物種植，海拔較高、地廣人稀，尤其是青海西部地區(qū)，大部分地區(qū)都屬于無人區(qū)，受干旱災(zāi)害影響較小。

圖4 青海省干旱災(zāi)害承災(zāi)體暴露性區(qū)劃Fig.4 Regionalization on exposure of drought disaster breeding body in Qinghai Province

2.4 防災(zāi)減災(zāi)能力

防災(zāi)減災(zāi)能力是指受干旱災(zāi)害影響地區(qū)對干旱的抵御能力以及災(zāi)后的恢復(fù)能力，與地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有關(guān)。人均GDP越大，地方經(jīng)濟(jì)水平越高，防御干旱工程設(shè)施投入也會越多，即防災(zāi)抗災(zāi)能力越強(qiáng)，所以考慮人均GDP作為防災(zāi)減災(zāi)能力的體現(xiàn)。圖5為青海省干旱災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)能力區(qū)劃。可以看出，防災(zāi)減災(zāi)能力較高的區(qū)域主要分布在青海省西北部地區(qū)，包括大柴旦、小灶火、格爾木、德令哈等地，這些地區(qū)主要以工業(yè)為主，經(jīng)濟(jì)收入較高，且人口數(shù)量較少，人均GDP水平較高，所以當(dāng)單純從人均GDP考慮時該地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)能力相對較強(qiáng)；防災(zāi)減災(zāi)能力較低的區(qū)域主要分布在青海省南部地區(qū)，主要包括囊謙、瑪多、達(dá)日、班瑪、久治等地，主要由于這些地區(qū)人煙稀少，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，人均GDP水平相對較低，防抗能力弱。

圖5 青海省干旱災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)能力區(qū)劃Fig.5 Regionalization on drought disaster prevention and mitigation capabilities in Qinghai Province

2.5 綜合風(fēng)險

在對干旱災(zāi)害各指標(biāo)因子定量評估的基礎(chǔ)上，根據(jù)干旱災(zāi)害風(fēng)險綜合評估模型公式(4)，將干旱災(zāi)害綜合風(fēng)險指數(shù)MDRI劃分為5個風(fēng)險等級區(qū)，分別為低風(fēng)險區(qū)、較低風(fēng)險區(qū)、中等風(fēng)險區(qū)、較高風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)。從圖6可以看出，干旱災(zāi)害的高風(fēng)險區(qū)主要分布在青海省東部地區(qū)，包括互助、平安、樂都、民和、循化、尖扎、貴德、湟中，這些區(qū)域的致災(zāi)因子危險性高，大部地區(qū)為容易發(fā)生干旱的丘陵和高崗地，同時人口密度大、耕地比例大，而且大部分地區(qū)都無法灌溉，易出現(xiàn)旱情；較高風(fēng)險區(qū)主要包括西寧、大通、門源、海晏、湟源、共和、貴南、同德、澤庫、河南、同仁等地，這些區(qū)域致災(zāi)因子危險性高，承災(zāi)體暴露性也較高，孕災(zāi)環(huán)境為中等脆弱區(qū)，防災(zāi)減災(zāi)能力也不強(qiáng)；中等風(fēng)險區(qū)主要包括剛察、祁連、野牛溝、托勒、茶卡、天峻、興海、瑪沁、班瑪、久治、囊謙、玉樹、稱多、曲麻萊等地，這些區(qū)域致災(zāi)因子危險性處于較高風(fēng)險區(qū)，承災(zāi)體暴露性屬于中等暴露區(qū)，孕災(zāi)環(huán)境和防抗能力都屬于較低風(fēng)險區(qū)；較低風(fēng)險區(qū)主要包括達(dá)日、雜多、瑪多、治多、五道梁、沱沱河、冷湖、茫崖、都蘭、烏蘭、諾木洪等地，這些區(qū)域致災(zāi)因子危險性屬于中等，承災(zāi)體暴露性和孕災(zāi)環(huán)境脆弱性都屬于較低風(fēng)險區(qū)，防災(zāi)減災(zāi)能力較低；低風(fēng)險區(qū)主要分布在青海省西北部，主要包括大柴旦、格爾木、德令哈、小灶火，這些區(qū)域?yàn)橹聻?zāi)因子低風(fēng)險區(qū)，且主要為工業(yè)區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，防災(zāi)減災(zāi)能力強(qiáng)，同時人煙稀少，承災(zāi)體暴露性屬于低暴露區(qū)，干旱發(fā)生風(fēng)險低。

圖6 青海省干旱災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃Fig.6 Regionalization on drought disaster risk in Qinghai Province

3 結(jié)論與討論

(1)干旱致災(zāi)因子危險性較高的地區(qū)主要在青海省東部和南部地區(qū)，包括互助、平安、樂都、民和、循化、貴德、同仁等地；危險性較低的地區(qū)主要在青海省西部，包括冷湖、大柴旦、格爾木、諾木洪、德令哈等地。

(2)青海省孕災(zāi)環(huán)境脆弱性整體自西北向東南逐漸降低，其中孕災(zāi)環(huán)境脆弱性風(fēng)險較高的地區(qū)主要在青海省西北部，風(fēng)險較低的地區(qū)主要在青海省東南部。

(3)承災(zāi)體暴露性的高風(fēng)險區(qū)主要在青海省東部地區(qū)，包括西寧、大通、湟源、湟中、互助、樂都、平安、尖扎、循化、民和等地，而由于青海特殊地理環(huán)境，除東部地區(qū)外，其他地區(qū)承災(zāi)體的暴露性風(fēng)險都較低。

(4)防災(zāi)減災(zāi)能力較高的區(qū)域主要在青海省西北部，包括大柴旦、小灶火、格爾木、德令哈等地，防災(zāi)減災(zāi)能力較低的區(qū)域主要在青海省南部地區(qū)。

(5)干旱災(zāi)害綜合風(fēng)險的高風(fēng)險區(qū)主要在青海省東部地區(qū)，包括互助、平安、樂都、民和、循化、尖扎、貴德、湟中等地，低風(fēng)險區(qū)主要在青海省西北部，包括大柴旦、格爾木、德令哈、小灶火等地。

(6)青海省干旱災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)主要由于致災(zāi)因子危險性及承災(zāi)體暴露性都較高，易發(fā)生干旱災(zāi)害；低風(fēng)險區(qū)主要由于致災(zāi)因子危險性和承災(zāi)體暴露性都較低，且防災(zāi)減災(zāi)能力強(qiáng)，不易發(fā)生干旱災(zāi)害。

影響干旱災(zāi)害的因素有很多，需要考慮的指標(biāo)也很多，尤其青海地區(qū)地形環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)信息不全甚至難以獲取，本文在研究中承災(zāi)體主要考慮了農(nóng)牧業(yè)狀況，對生態(tài)環(huán)境方面還未考慮，另外在防災(zāi)減災(zāi)能力評估時只考慮了人均GDP這一指標(biāo)，對一些工程設(shè)施及應(yīng)急處置能力方面由于數(shù)據(jù)短缺沒有考慮，后期工作中將進(jìn)一步加強(qiáng)這些數(shù)據(jù)的收集及應(yīng)用，使風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果更加完善，更具參考價值。